RU2369887C1

RU2369887C1 - Laser scanning device

Info

Publication number: RU2369887C1
Application number: RU2008109119/28A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Геннадьевич Калюжный (RU); Дмитрий Геннадьевич Калюжный
Original assignee: Институт прикладной механики Уральского отделения Российской Академии Наук
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2008-03-07
Publication date: 2009-10-10

Abstract

FIELD: instrument making.

SUBSTANCE: invention is related to optical-mechanical instrument making, in particular to devices for displacement of laser beam in space, scanning and tracking devices. Laser scanning device comprises directional source of radiation installed opposite to mirror fixed on quadriradiare crosspiece, and system of mirror control, which are assembled in body, moreover, system of beam deviation is additionally equipped with four guide rods fixed one by one on each of four crosspiece ends. Each guide rod is connected to crosspiece with the help of hinged joint, having four freedoms. Guide rods have angular thread on their external surface, with the help of which they are fixed in immobile threaded bushes with similar internal thread, and have the possibility to move reciprocally in process of rotation to this or that side. And control elements used are electric motors that rotate guide rods.

EFFECT: higher accuracy and variation of functional resources to produce complex trajectories of laser beam movement.

6 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к оптико-механическому приборостроению, в частности к устройствам для перемещения лазерного луча в пространстве, устройствам сканирования и слежения.The invention relates to optical-mechanical instrumentation, in particular to devices for moving a laser beam in space, scanning and tracking devices.

Известно устройство отклонения луча, содержащее два пьезоэлемента с нанесенными на них отражающими поверхностями, расположенными друг напротив друга [патент РФ №2069383, МПК G02B 26/10].A device for deflecting a beam containing two piezoelectric elements with deposited reflective surfaces located opposite each other [RF patent No. 2069383, IPC G02B 26/10].

Недостатками известного устройства отклонения луча являются малые углы отклонения луча и потери мощности излучения при многократных отражениях от отражающих поверхностей.The disadvantages of the known device deflection of the beam are small angles of deflection of the beam and the loss of radiation power with multiple reflections from reflective surfaces.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство для пространственного отклонения луча, включающее электромагнитную систему, закрепленную на корпусе, и крестовину с постоянными магнитами и наклонным зеркалом, подвешенную на пружинах [патент РФ №2205439, МПК G02B 26/08, Бюл. №15, 27.05.2003].Closest to the invention, the technical solution is a device for spatial beam deflection, including an electromagnetic system mounted on the housing, and a cross with permanent magnets and an inclined mirror suspended on springs [RF patent No. 2205439, IPC G02B 26/08, Bull. No. 15, May 27, 2003].

Недостатками известного устройства для пространственного отклонения луча являются сложность точного однозначного фиксирования пластины с зеркалом в определенном положении и искажение растра отраженного от зеркала лазерного пучка.The disadvantages of the known device for spatial beam deflection are the difficulty of accurately unambiguously fixing the plate with the mirror in a certain position and the distortion of the raster reflected from the mirror of the laser beam.

Задачей изобретения является повышение точности и изменение функциональных возможностей для получения сложных траекторий перемещения лазерного луча. Указанная задача решается тем, что в лазерном сканирующем устройстве, содержащем направленный источник излучения, установленный напротив зеркала, закрепленного на четырехлучевой крестовине, и систему управления зеркалом, собранные в корпусе, система отклонения луча дополнительно снабжена четырьмя направляющими стержнями, закрепленными по одному на каждой из четырех оконечностей крестовины. Каждый направляющий стержень соединен с крестовиной при помощи шарнира, имеющего четыре степени свободы. Направляющие стержни имеют на своей внешней поверхности винтовую нарезку, с помощью которой закреплены в неподвижных резьбовых втулках с аналогичной внутренней нарезкой, и имеют возможность перемещаться возвратно-поступательно при вращении в ту или иную сторону. А в качестве управляющих элементов используются электродвигатели, вращающие направляющие стержни.The objective of the invention is to improve the accuracy and change the functionality to obtain complex trajectories of movement of the laser beam. This problem is solved in that in a laser scanning device containing a directional radiation source mounted opposite a mirror mounted on a four-beam cross, and a mirror control system assembled in the housing, the beam deflection system is additionally equipped with four guide rods mounted one on each of four extremities of a cross. Each guide rod is connected to the cross by means of a hinge having four degrees of freedom. The guide rods have a screw thread on their outer surface, with which they are fixed in fixed threaded bushings with a similar internal thread, and are able to move back and forth when rotating in one direction or another. And as control elements, electric motors are used that rotate the guide rods.

На чертежах изображено:The drawings show:

фиг.1 - Конструкция устройства;figure 1 - the design of the device;

фиг.2 - Шарнирные элементы;figure 2 - Hinge elements;

фиг.3 - Вариант конструкции устройства.figure 3 - Option design of the device.

Лазерное сканирующее устройство имеет источник направленного излучения 1, расположенный напротив зеркала 2, установленного в центре четырехлучевой крестовины 3 (Фиг.1). На каждой из четырех оконечностей крестовины 3 с помощью шарнирных элементов 4 закреплено по одному направляющему стержню 5. Причем конструкция шарнирных элементов 4 позволяет каждому из стержней 5 качаться относительно крестовины в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, вращаться вокруг своей оси и перемещаться возвратно-поступательно вдоль соответствующего луча крестовины в известных пределах. На внешних поверхностях направляющих стержней 5 выполнена винтовая нарезка, при помощи которой каждый из направляющих стержней 5 ввернут в неподвижные резьбовые втулки 6, имеющие соответствующую внутреннюю нарезку. Резьбовые втулки 6 неподвижно закреплены на общем основании 7 таким образом, что все направляющие стержни 5 параллельны друг другу, а крестовина 3 в исходном положении параллельна основанию 7. При согласованном вращении любой пары накрест лежащих направляющих стержней 5 вокруг своей оси в противоположных направлениях соответствующие лучи крестовины 3 опускаются или поднимаются. Для вращения направляющих стержней 5 на основании 7 установлены шаговые электродвигатели 8.The laser scanning device has a directional radiation source 1, located opposite the mirror 2, mounted in the center of the four-beam cross 3 (Figure 1). On each of the four extremities of the crosspiece 3, one guide rod 5 is fixed using the hinge elements 4. Moreover, the design of the hinge elements 4 allows each of the rods 5 to swing relative to the cross in two mutually perpendicular planes, rotate around its axis and move back and forth along the corresponding beam crosses within certain limits. On the outer surfaces of the guide rods 5, a screw thread is made, with the help of which each of the guide rods 5 is screwed into the fixed threaded bushings 6 having a corresponding internal thread. The threaded sleeves 6 are fixedly mounted on a common base 7 so that all the guide rods 5 are parallel to each other, and the cross 3 in the initial position is parallel to the base 7. With the coordinated rotation of any pair of cross-lying guide rods 5 around its axis in opposite directions, the corresponding rays of the cross 3 lower or rise. To rotate the guide rods 5 on the base 7 installed stepper motors 8.

Положение источника излучения 1 относительно зеркала 2, а также угол наклона зеркала 2 относительно крестовины 3 могут быть различными в зависимости от назначения и конструкции устройства в целом.The position of the radiation source 1 relative to the mirror 2, as well as the angle of inclination of the mirror 2 relative to the cross 3 can be different depending on the purpose and design of the device as a whole.

Устройство работает следующим образом. В исходном положении крестовина 3 опирается на четыре направляющих стержня 5 через шарнирные элементы 4 и располагается параллельно основанию 7. При подаче питания каждая пара накрест лежащих шаговых электродвигателей 8 включается и работает только совместно, причем при вращении их валов один из направляющих стержней 5 перемещается по направлению вверх, а другой - вниз на одинаковые расстояния. Вторая пара накрест лежащих шарнирных элементов в этом случае является осью, вокруг которой качается крестовина 3. Аналогичным образом осуществляется качание крестовины 3 и по другой оси.The device operates as follows. In the initial position, the cross 3 rests on four guide rods 5 through the hinge elements 4 and is parallel to the base 7. When power is applied, each pair of crosswise stepping motors 8 is turned on and only works together, and when their shafts rotate, one of the guide rods 5 moves in the direction up and the other down at the same distance. The second pair of cross-lying hinged elements in this case is the axis around which the spider 3 swings. In a similar way, the spider 3 is swung along the other axis.

Возможная конструкция шарнирных элементов 4, позволяющих крестовине 3 качаться одновременно в двух плоскостях, следующая (Фиг.2). Верхняя оконечность направляющего стержня 5 выполнена в виде шара. На крестовине 3 закреплен корпус шарнирного элемента, имеющий полость, соответствующую шаровой оконечности направляющего стержня 5. Для компенсации изменяющегося расстояния от оси качания крестовины до каждого из шарнирных элементов корпусы шарнирных элементов установлены в пазах на оконечностях крестовины, образующих направляющие, по которым корпус может скользить в радиальном направлении.A possible design of the hinge elements 4, allowing the cross 3 to swing simultaneously in two planes, the following (Figure 2). The upper end of the guide rod 5 is made in the form of a ball. On the crosspiece 3, a hinge element housing is fixed having a cavity corresponding to the spherical tip of the guide rod 5. To compensate for the varying distance from the swing axis of the crosspiece to each of the hinge elements, the hinge element housings are mounted in grooves on the ends of the crosspiece, forming guides along which the housing can slide into radial direction.

Каждый направляющий стержень 5 смонтирован на соответствующем валу двигателя 8 с помощью соединения, допускающего их взаимное осевое перемещение, например шлицевого, шпоночного или др.Each guide rod 5 is mounted on the corresponding shaft of the engine 8 by means of a connection allowing their mutual axial movement, for example, spline, key or other.

Другой вариант управления крестовиной 3 предполагает использование катушек электромагнитов 9 (Фиг.3). При этом крестовина 3 вывешивается на пружинной подвеске 10, а направляющие стержни 5, выполненные из немагнитного материала, имеют ферромагнитные участки 11, одновременно являющиеся сердечниками электромагнитов 9. Отклонение крестовины 3 осуществляется подачей напряжения питания определенной величины на электромагниты 9, при этом ферромагнитные участки 11 стержней 5 втягиваются внутрь электромагнитов 9.Another option for controlling the spider 3 involves the use of coils of electromagnets 9 (Figure 3). In this case, the crosspiece 3 is hung on a spring suspension 10, and the guide rods 5, made of non-magnetic material, have ferromagnetic sections 11, which are also the cores of the electromagnets 9. The crosspiece 3 is deflected by supplying a voltage of a certain magnitude to the electromagnets 9, while the ferromagnetic sections 11 of the rods 5 are pulled into the electromagnets 9.

Вариант реализации устройства с использованием электродвигателей позволяет добиться высокой точности ориентировки отраженного луча в сочетании с большими углами отклонения. При использовании электромагнитов устройство может работать в частотном режиме.An embodiment of the device using electric motors allows to achieve high accuracy of orientation of the reflected beam in combination with large deflection angles. When using electromagnets, the device can operate in a frequency mode.

Claims

1. A device for spatial beam deflection, comprising a housing, a radiation source, a four-beam crosspiece, on which a mirror is mounted, characterized in that at each of the four ends of the crosspiece there is one guide rod interacting with one of the four control elements.

2. The device according to claim 1, characterized in that each guide rod is connected to the cross by means of a hinge having four degrees of freedom.

3. The device according to claim 2, characterized in that the guide rods have a screw thread on their outer surface, with which they are fixed in stationary bushings with a similar internal thread, and are able to move back and forth when rotating in one direction or another.

4. The device according to claim 3, characterized in that as the control elements are used electric motors that rotate the guide rods.

5. The device according to claim 2, characterized in that the guide rods are made of non-magnetic material and have ferromagnetic sections.

6. The device according to claim 5, characterized in that the electromagnetic elements are used as control elements, and the crosspiece is fixed in space using springs.